技術(shù)介紹

空心光纖（HCF）與傳統(tǒng)光纖的主要區(qū)別在于，它通過(guò)中心的空心區(qū)域引導(dǎo)光線，而非傳統(tǒng)光纖依賴其玻璃質(zhì)地來(lái)傳播光束。在空心光纖中，光束被限制在周圍玻璃材料上的微小孔隙內(nèi)的空心中傳播，這意味著只有極少部分的光功率通過(guò)固體光纖材料（通常是玻璃）傳輸。

圖1.Cross-section of bare hollow core fiber

與傳統(tǒng)光纖相比，空心光纖（HCF）具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它的非線性度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，損傷閾值更高，透射光束與周圍玻璃之間的重疊更小，為基于光纖的激光器提供了前所未有的功率。其較低的信號(hào)損耗使得在無(wú)需中繼器的情況下也能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的傳輸。由于光在空氣中的傳播速度快于玻璃等其他介質(zhì)，因此空心光纖提供了更高的傳輸速度和更低的延遲，同時(shí)由于每根光纖以單模態(tài)物理分隔，它還能提供更高的帶寬。光纖中的色散可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)控制，尤其是對(duì)于具有小模面積的光子帶隙光纖而言。這對(duì)于超短脈沖的引導(dǎo)尤為重要，因?yàn)樵诔堂}沖中，大量的色散和非線性可能導(dǎo)致嚴(yán)重的脈沖失真。具有大空心芯的光纖通常展現(xiàn)出較弱的色散和對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的低依賴性，使其成為理想的超短脈沖傳輸介質(zhì)^[1]。這可能會(huì)在激光制造、激光點(diǎn)火、國(guó)防、阿秒科學(xué)、非線性內(nèi)窺鏡/顯微鏡和氣體中紅外激光器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破性應(yīng)用。

圖2.光子晶體光纖

光子晶體光纖（PCF）的核心特征之一是其周期性微孔結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可以用來(lái)控制光波的傳播方式。光子晶體光纖利用光子帶隙（PBG，Photonic Band Gap）效應(yīng)，在光纖的中空（空氣）芯中導(dǎo)引光波。在光子晶體中，周期性的微孔或微結(jié)構(gòu)形成了光子帶隙，這種能帶結(jié)構(gòu)類似于晶體中電子的電子帶隙。在光子帶隙內(nèi)，特定頻率范圍的光波無(wú)法傳播，而會(huì)被反射或吸收。這是因?yàn)樵谶@些頻率下，光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光波的散射相互干涉，形成了禁止帶隙。這意味著，處于PBG內(nèi)的頻率光波無(wú)法穿越包層傳播，而只能在光纖的芯中傳導(dǎo)。不同于基于折射率引導(dǎo)的光纖，這里纖芯區(qū)域的折射率無(wú)需高于包層的折射率^[2]。

空心光子晶體光纖（HC-PCF）結(jié)合兩類光纖的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)將光引導(dǎo)至帶有周期性微孔結(jié)構(gòu)的空心中，徹底改變了傳統(tǒng)光纖技術(shù)。這種獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常適合于傳感、成像和超短脈沖應(yīng)用。我們的空心光子帶隙光纖在提供超短脈沖的同時(shí)，不會(huì)引起非線性效應(yīng)或材料損壞，且能在緊密彎曲下保持穩(wěn)定傳輸。

當(dāng)前，兩種具有顯著不同于階躍折射率光纖導(dǎo)光性能的低損耗光纖技術(shù)已被發(fā)展出來(lái)。這兩種光纖類型均利用二維周期性結(jié)構(gòu)的包層包圍著一個(gè)空心核心來(lái)引導(dǎo)光線，因此被統(tǒng)稱為空心光子晶體光纖（HC-PCF）。[3,4]雖然這兩種光纖都具有幾個(gè)共同的特征，但它們的光引導(dǎo)背后的物理原理，以及隨后的光學(xué)特性均有很大不同。

不同hcf的顯微鏡圖像

(a)光子帶隙光纖，(b) Kagome光纖，(c)非接觸管狀光纖，(d)六角反諧振光纖

第一種光纖是備受期待的光子帶隙（PBG）光導(dǎo)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致HC-PCF在HC引導(dǎo)模式的頻率和指數(shù)下沒(méi)有包層模式^[5]。今天，我們對(duì)PBG HC-PCF的理解和工程設(shè)計(jì)已經(jīng)隨著直觀的“光子緊密結(jié)合模型”而大大成熟^[6]。

另一類是Kagome晶格HC-PCF，與PBG HC-PCF形成對(duì)比，Kagome HC-PCF特點(diǎn)是提供寬帶制導(dǎo)頻譜，其包層結(jié)構(gòu)不依賴于PBG效應(yīng)。直到 2007 年，隨著抑制耦合 （IC） 引導(dǎo)的引入，引導(dǎo)機(jī)制才得以闡明。在這里，包層不再需要磁芯模式空間中的帶隙，但結(jié)構(gòu)及其尺寸經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，使得包層支持與磁芯模式強(qiáng)相位不匹配的連續(xù)模式，從而抑制后者逃逸磁芯。

在使用空氣-二氧化硅結(jié)構(gòu)的HC-PCF中，包層模式被有效地限制在包層的薄二氧化硅層內(nèi)，并展現(xiàn)出迅速的橫向振動(dòng)（具有高方位角數(shù)）。^[7]從這個(gè)角度來(lái)看，光纖中的PBG定義為沒(méi)有與纖芯模式相位匹配的包層模式，這些模式會(huì)將光從纖芯向外傳播。而在IC（抑制耦合）引導(dǎo)的光纖中，周圍包層在纖芯模頻率指數(shù)空間上起到了類似PBG的作用。

迄今為止，光纖中可引導(dǎo)的最大超短脈沖激光僅限于石英芯光纖的納米焦耳，以及光子帶隙（PBG）引導(dǎo)空心光子晶體光纖（HC-PCF）的幾微焦耳^[9]。固體常規(guī)光纖的脈沖能量極限是由二氧化硅的固有災(zāi)難性材料損傷決定的^[8]。PBG引導(dǎo)HC-PCF的局限性主要是由于磁芯引導(dǎo)模式與二氧化硅磁芯包圍的光學(xué)重疊性很強(qiáng)^[9]。這種效應(yīng)在表面模態(tài)和核心模態(tài)之間的抗交叉光譜范圍附近加劇^[10]。

除了材料損傷限制外，光纖非線性和色散是超短脈沖激光波導(dǎo)和傳輸?shù)牧硗鈨蓚€(gè)主要限制因素這些因素會(huì)顯著影響脈沖的時(shí)間分布。例如，在正常群速色散的條件下（如波長(zhǎng)低于 1300 nm），通過(guò)二氧化硅傳播的脈沖會(huì)經(jīng)歷快速擴(kuò)散，進(jìn)一步加劇了脈沖的時(shí)間和光譜失真。當(dāng)脈沖能量增加到幾納焦耳水平時(shí)，介質(zhì)的克爾和拉曼響應(yīng)將對(duì)擴(kuò)散產(chǎn)生額外的貢獻(xiàn)，這將導(dǎo)致光譜展寬和更大的色散。

應(yīng)用領(lǐng)域

C-PCF技術(shù)在現(xiàn)有領(lǐng)域如通信、傳感器、醫(yī)學(xué)成像等方面的應(yīng)用將繼續(xù)擴(kuò)大。另外，新興的應(yīng)用領(lǐng)域，如量子計(jì)算、深空通信、生物醫(yī)學(xué)研究，也將成為HC-PCF未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

隨著光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芄饫w的需求日益增長(zhǎng)，尤其是在提高數(shù)據(jù)傳輸速度和擴(kuò)大帶寬方面，空心光子晶體光纖（HC-PCF）展現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。HC-PCF以其顯著的低信號(hào)損耗和擴(kuò)展的帶寬特性，能夠有效地滿足這些不斷增長(zhǎng)的技術(shù)需求。特別是在高速通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，HC-PCF的這些特性使其成為支持下一代通信技術(shù)的關(guān)鍵組件。

激光頭和工件之間的激光傳輸鏈路，

超短脈沖激光器在功率縮放方面取得了巨大進(jìn)步，并在工業(yè)應(yīng)用中不斷擴(kuò)展使用，這就需要靈活而強(qiáng)大的光束傳輸系統(tǒng)，跨越數(shù)米。直到最近，光纖中可以引導(dǎo)的最大USP能級(jí)僅限于石英芯光纖的納米焦耳和空心光子晶體光纖的幾微焦耳。

在最近的一項(xiàng)合作中GLO Photonics、Amplitude Systemes以及利摩日大學(xué)的GPPMM研究小組共同展示了一項(xiàng)突破性成果。他們成功在數(shù)米長(zhǎng)的Kagome型空心光子晶體光纖（HC-PCF）中，以穩(wěn)定的單模態(tài)傳輸方式，傳輸了毫焦耳級(jí)的600飛秒超短脈沖。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅展示了HC-PCF在高強(qiáng)度脈沖傳輸方面的卓越性能，還實(shí)現(xiàn)了50飛秒的脈沖自壓縮，達(dá)到了petawatt/cm²級(jí)別的強(qiáng)度。突顯了HC-PCF在超快光束傳輸應(yīng)用中的巨大潛力。

GLO 空心光子晶體光纖在處理創(chuàng)紀(jì)錄的激光脈沖能量并以靈活的方式傳遞這些脈沖方面具有出色的能力，使 GLO 光纖成為新興激光微加工市場(chǎng)和應(yīng)用中所有開(kāi)發(fā)人員和最終用戶的絕佳解決方案。

通過(guò)其專有的Kagome HC-PCF，GLO為其客戶帶來(lái)了用于激光功率處理和傳輸?shù)膭?chuàng)新和卓越的解決方案和/或光纖光子元件。特別是，GLO Kagome光纖及其功能化形式的PMC非常適合在材料微加工和微加工中充分發(fā)揮高功率超快光纖激光器的潛力。GLO產(chǎn)品和/或技術(shù)可以通過(guò)多種方式用于激光微加工領(lǐng)域。它結(jié)合了靈活性、低透射光損耗、低脈沖失真以及進(jìn)入非常小且不顯眼的加工空間。第二個(gè)例子是激光脈沖時(shí)間控制，GLO提供客戶定制的PMC來(lái)壓縮激光脈沖。

激光微加工、生物工程和外科手術(shù)革命性變革的幕后推手

持續(xù)時(shí)間較短（低于皮秒持續(xù)時(shí)間范圍）的工程激光脈沖是許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力?，F(xiàn)在材料的加工、雕刻和切割精度高，無(wú)需加熱。另一個(gè)例子是極具挑戰(zhàn)性的基于激光的粒子加速器，其中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一是能夠處理大量脈沖能量 （>100 mJ） 和低于 10 fs 的壓縮的設(shè)備。GLO 中空光纖和 PMC 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)前所未有的光脈沖控制，允許在單個(gè)緊湊的光纖光子組件中將亞皮秒激光脈沖壓縮 10 倍以上。GLO可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)基于光纖的脈沖壓縮器，這些壓縮器是針對(duì)市場(chǎng)上存在的各種超短脈沖（USP）激光器量身定制的。

生物醫(yī)療研究及外科應(yīng)用

以安全和用戶友好的方式將激光帶到細(xì)胞或患者身體部位仍然是外科醫(yī)生和生物學(xué)家高度追捧的商品之一。GLO Kagome 光纖及其功能化形式 PMC 非常適合為任何細(xì)胞或身體部位提供激光傳輸鏈路，具有出色的靈活性、低傳輸光損耗、低脈沖失真以及進(jìn)入非常小且不顯眼的機(jī)器空間。GLO目前與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域參與者合作的經(jīng)驗(yàn)是它為最終用戶或醫(yī)療機(jī)器制造商開(kāi)發(fā)用于外科手術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的創(chuàng)新光纖激光工具的資產(chǎn)。此外，GLO可以幫助開(kāi)發(fā)特定的激光器，這些激光器現(xiàn)在被用于各種可見(jiàn)光波長(zhǎng)的醫(yī)療。例如，在光譜黃色部分的特定波長(zhǎng)下工作的高功率激光可用于治療各種血管疾病，例如切除不需要的腿部靜脈和面部毛細(xì)血管。在眼科中也有應(yīng)用，例如用于治療視網(wǎng)膜脫離。

通過(guò)其獨(dú)特的激光束傳輸和激光頻率轉(zhuǎn)換解決方案，GLO技術(shù)可以解決大多數(shù)生物光子學(xué)應(yīng)用，如細(xì)胞術(shù)、成像、DNA測(cè)序或法醫(yī)學(xué)。

參考文獻(xiàn)

1) P. J. Roberts et al., “Ultimate low loss of hollow-core photonic crystal fibres”, Opt. Express 13 (1), 236 (2005);

2) Dr. Rüdiger Paschotta RP Photonics AG ,Photonic Crystal Fibers,

3) F. Benabid et al.,Science298, 5592, 399–402 (2002).

4) N. Venkataraman et al.,Proc. ECOC 2002, PD1.1, Copenhagen, Denmark (2002).

5) T. Birks et al.,Electron. Lett.31, 22, 1941–1943 (1995).

6) F. Couny,Opt. Express15, 2, 325–338 (2007).

7) F. Benabid et al.,Laser Focus World44, 9, 60–64 (2008).

8) X. Liu, D. Du, and G. Mourou  IEEE J. Quantum Electron.33(10), 1706–1716 (1997).

9) G. Humbert, Opt. Express12(8), 1477–1484 (2004)

10) J. A. West, C. M. Smith, Opt. Express12(8), 1485–1496 (2004)